畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）led光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

1、<p>　　湖 南 科 技 大 學(xué)</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）</p><p>　　二〇一五年五月二十日</p><p>　　湖 南 科 技 大 學(xué)</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　物理與電子科學(xué)學(xué) 院 光信息科學(xué)與技術(shù)

2、 系（教研室）</p><p>　　系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日</p><p>　　學(xué)生姓名: 學(xué)號(hào): 專(zhuān)業(yè): 光信息科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專(zhuān)題： LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)

3、用研究 </p><p>　　2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2015 年 3 月 1 日開(kāi)始至 2015 年 5 月 20 日止</p><p>　　3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：</p><p><b>　?。?）中國(guó)知網(wǎng)</b></p><p><b>　　（

4、2）百度百科</b></p><p><b>　?。?）圖書(shū)</b></p><p>　　4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：</p><p>　?。?）簡(jiǎn)介L(zhǎng)ED的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用</p><p>　?。?）介紹LED和幾種傳統(tǒng)光源的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　（3）介紹LED光

5、源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說(shuō)明與圖紙或論文等）及要求：</p><p>　　（1）提交形式：論文。</p><p><b>　　（2）要求：</b></p><p>　?、僬撐淖?jǐn)?shù)在8000字以上；</p><p>　?、诓閰⒖嘉墨I(xiàn)10篇以上；<

6、/p><p>　?、壅撐母袷桨凑铡昂峡萍即髮W(xué)本科生畢業(yè)論文要求與撰寫(xiě)規(guī)范”撰寫(xiě)。</p><p>　　6 發(fā)題時(shí)間： 2015 年 3 月 1 日</p><p>　　指導(dǎo)教師： （簽名）</p><p>　　學(xué) 生： （簽名）</p><p&g

7、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　LED是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈之后的第四代新光源，具有體積小，壽命長(zhǎng)，環(huán)保安全等特點(diǎn)。本文主要研究LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及工作原理，首先簡(jiǎn)要介紹了LED光源的發(fā)展歷史及應(yīng)用前景；接著將LED與傳統(tǒng)光源進(jìn)行了比較，并分析了LED相較于傳統(tǒng)光源的一些優(yōu)點(diǎn)；最后探討了用LED光源改良物理實(shí)驗(yàn)的方法，并提出了幾點(diǎn)意見(jiàn)。</p&

8、gt;<p>　　關(guān)鍵詞: LED光源；傳統(tǒng)光源；物理實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the characteristics of small, long-life, environmental protection and security, LED is the fourth generati

9、on lighting after the incandescent lamp, fluorescent lamp and high intensity discharge lamp. In the paper, the applications and operating principles of LED in physical experiment are researched. Firstly, the history and

10、prospects of LED lights are briefly introduced.; Then then, compare the LED with and the conventional lights are compared, and analyze the advantages of LED lights are a</p><p>　　Keywords: LED lights; Conven

11、tional lights; Physical experiments</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1 本文研究背景及意義- 1 -</p><p>　　1.2 本文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排- 2 -</p><p

12、>　　第二章 LED光源與傳統(tǒng)光源- 3 -</p><p>　　2.1 傳統(tǒng)光源- 3 -</p><p>　　2.1.1 傳統(tǒng)光源的種類(lèi)- 3 -</p><p>　　2.1.2傳統(tǒng)光源的應(yīng)用與發(fā)展- 6 -</p><p>　　2.2 LED光源- 7 -</p><p>　　2.2.1 LED的

13、特性及其工作原理- 7 -</p><p>　　2.2.2 LED的應(yīng)用及其發(fā)展前景- 8 -</p><p>　　2.3 LED光源與傳統(tǒng)光源的比較- 9 -</p><p>　　2.4 本章小結(jié)- 11 -</p><p>　　第三章 LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 12 -</p><p>　　3.1

14、LED光源在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 12 -</p><p>　　3.1.1 薄透鏡焦距測(cè)定實(shí)驗(yàn)- 12 -</p><p>　　3.1.2 LED在全息照相實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 13 -</p><p>　　3.1.3 分光計(jì)讀數(shù)照明- 14 -</p><p>　　3.2 LED光源在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 15 -</p>&

15、lt;p>　　3.2.1 LED在自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 15 -</p><p>　　3.2.2 LED在電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 16 -</p><p>　　3.2.3 LED在電容充放電演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 17 -</p><p>　　3.3 LED光源在其他物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 18 -</p><p>　　3

16、.3.1 LED演示光纖通信- 18 -</p><p>　　3.3.2 LED在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 19 -</p><p>　　3.4 本章小結(jié)- 20 -</p><p>　　第四章 結(jié)論- 21 -- 21 -- 22 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 22 -- 22 -- 23 -</p><p&

17、gt;　　致 謝- 23 -- 23 -- 24 -</p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1 本文研究背景及意義- 1 -</p><p>　　1.2 本文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排- 2 -</p><p>　　第二章 LED光源與傳統(tǒng)光源- 3 -</p><p>　　2.1 傳

18、統(tǒng)光源- 3 -</p><p>　　2.1.1 傳統(tǒng)光源的種類(lèi)- 3 -</p><p>　　2.1.2傳統(tǒng)光源的應(yīng)用與發(fā)展- 6 -</p><p>　　2.2 LED光源- 7 -</p><p>　　2.2.1 LED的特性及其工作原理- 7 -</p><p>　　2.2.2 LED的應(yīng)用及其發(fā)展前

19、景- 8 -</p><p>　　2.3 LED光源與傳統(tǒng)光源的比較- 10 -</p><p>　　2.4 光度學(xué)相關(guān)參數(shù)簡(jiǎn)介- 12 -</p><p>　　2.5 本章小結(jié)- 12 -</p><p>　　第三章 LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 13 -</p><p>　　3.1 LED光源在光學(xué)實(shí)驗(yàn)

20、中的應(yīng)用- 13 -</p><p>　　3.1.1 薄透鏡焦距測(cè)定實(shí)驗(yàn)- 13 -</p><p>　　3.1.2 LED在全息照相實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 14 -</p><p>　　3.1.3 分光計(jì)讀數(shù)照明- 15 -</p><p>　　3.2 LED光源在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 16 -</p><p>　　

21、3.2.1 LED在自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 16 -</p><p>　　3.2.2 LED在電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 17 -</p><p>　　3.2.3 LED在電容充放電演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 18 -</p><p>　　3.3 LED光源在其他物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 19 -</p><p>　　3.3.1 LED演示

22、光纖通信- 19 -</p><p>　　3.3.2 LED在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用- 20 -</p><p>　　3.4 本章小結(jié)- 21 -</p><p>　　第四章 結(jié)論- 22 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 23 -</p><p>　　致 謝- 24 -</p><p&

23、gt;<b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)是我國(guó)在新世紀(jì)的一個(gè)全民參與的重大任務(wù)。隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的當(dāng)今社會(huì)，資源的使用愈發(fā)緊張，而照明耗能約占世界用電總能耗的25%。倘若用發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保且成本低廉的光源取代傳統(tǒng)高耗能、低效率光源，無(wú)疑將對(duì)我國(guó)乃至世界的可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。</p><p&g

24、t;　　1.1 本文研究背景及意義</p><p>　　LED（Light Emitting Diode）是一種半導(dǎo)體器件，它可以將電能轉(zhuǎn)化為光能。LED作為一種節(jié)能，高效，安全，耐用的新型光源，制作工藝日益趨于完善，傳統(tǒng)光源行業(yè)受到LED光源的沖擊已成事實(shí)，不僅是因?yàn)長(zhǎng)ED具有以上優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也由于LED在全球生產(chǎn)范圍的擴(kuò)大及生產(chǎn)技術(shù)的提升。</p><p>　　作為常用電子器件，LED被

25、廣泛地應(yīng)用于電子產(chǎn)品、家用電器、儀器儀表中，并且在照明領(lǐng)域正逐漸取代傳統(tǒng)光源。LED照明的能耗僅是白熾燈的十分之一、日光燈的五分之一左右，若用LED光源取代傳統(tǒng)光源，不但可以減少能源的消耗不但可以降低資源的消耗，還可以減少二氧化碳?xì)怏w的排放還可以減少CO2氣體的釋放，從而抑制了溫室效應(yīng)。一項(xiàng)調(diào)查表明，我國(guó)平均每年在照明領(lǐng)域的用電可達(dá)三千億度以上，若用發(fā)光二極管代替所有傳統(tǒng)光源若用LED代替所有傳統(tǒng)光源，將至少可以節(jié)約30%的照明用電，這

26、與總投資超過(guò)兩千億的三峽工程全年的發(fā)電量不相上下[1]。LED的出現(xiàn)對(duì)解決日趨嚴(yán)重的能源問(wèn)題而言，無(wú)疑具有舉足輕重的意義。近幾年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅猛，LED新品不斷地出現(xiàn)。LED不光在生活照明領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，,在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的用途也顯得越來(lái)越無(wú)可替代。</p><p>　　物理學(xué)是一門(mén)研究物體結(jié)構(gòu)和相互作用的科學(xué)，它以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生理解和掌握物理現(xiàn)象的基本原理有著不可替代的作用，因此物理學(xué)也是一門(mén)實(shí)

27、驗(yàn)科學(xué)。而在物理實(shí)驗(yàn)中，電學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)往往占有較大比重，實(shí)驗(yàn)室使用的光源一般有汞燈、熒光燈和白熾燈等傳統(tǒng)光源，這類(lèi)光源發(fā)光通常需要用到變壓器或鎮(zhèn)流器，因此造成光源體積過(guò)大，使用很不方便。除此之外，這類(lèi)光源發(fā)光效率普遍不高，使用壽命較短，安全性也不高[2]。由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和設(shè)備的局限性，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室使用的光源仍然是傳統(tǒng)光源。隨著科技的不斷創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)的不斷優(yōu)化，LED的光效也有了很大的提高，價(jià)格也逐漸走低。因?yàn)長(zhǎng)ED光源具有光效高、壽

28、命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)不斷有人嘗試用LED替代白熾燈、汞燈和鈉燈等傳統(tǒng)光源在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。發(fā)光二極管除了具有以上優(yōu)點(diǎn)外 ，,還具有單向?qū)ㄐ?、工作功率小、顏色多樣等特性。在物理?shí)驗(yàn)中,，利用發(fā)光二極管的上述特性,，（注意中英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的使用，后面相應(yīng)的一并修改）可以生動(dòng)地顯示電流的流向及檢測(cè)有無(wú)電流產(chǎn)生。因此，如何將LED很好地應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)中,，對(duì)于節(jié)能環(huán)保，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性及安全性具有不容忽視的作用，同時(shí)</p>

29、<p>　　1.2 本文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　本論文的研究目標(biāo)是LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用情況，運(yùn)用分析法與實(shí)驗(yàn)法，將LED光源與鈉光燈等常見(jiàn)的傳統(tǒng)光源進(jìn)行比較，從而得出LED光源優(yōu)于傳統(tǒng)光源的方面，為L(zhǎng)ED在物理實(shí)驗(yàn)?zāi)酥疗渌鱾€(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)在物理實(shí)驗(yàn)?zāi)酥疗渌餍懈鳂I(yè)的普及提供理論基礎(chǔ)。本文一共四個(gè)章節(jié)，具體結(jié)構(gòu)安排如下：</p><p>　　

30、第一章，緒論，對(duì)課題的背景來(lái)源、研究的意義和主要內(nèi)容作了簡(jiǎn)要說(shuō)明，并對(duì)相關(guān)研究的現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要分析。</p><p>　　第二章，LED光源和傳統(tǒng)光源，介紹LED和傳統(tǒng)光源的工作原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用等，并將LED和傳統(tǒng)光源進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　第三章，LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，介紹LED光源在幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及其工作原理光源在幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用及其工作原理，并

31、分析其實(shí)驗(yàn)效果優(yōu)于傳統(tǒng)光源的方面并分析其效果優(yōu)于傳統(tǒng)光源的具體表現(xiàn)。</p><p>　　第四章，結(jié)論，總結(jié)研究情況并得出結(jié)論，收獲和體會(huì)，同時(shí)指出整個(gè)設(shè)計(jì)工作中的不足之處和需要改進(jìn)的地方。</p><p>　　第二章 LED光源與傳統(tǒng)光源</p><p>　　本章簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)光源和LED光源的主要特征與工作原理，并指出了兩者各自的發(fā)展史和應(yīng)用情況。最后介紹了一些

32、相關(guān)的光度學(xué)知識(shí)，以便我們更好地了解傳統(tǒng)光源和LED的具體特性，為后文介紹LED光源在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用做鋪墊。</p><p><b>　　2.1 傳統(tǒng)光源</b></p><p>　　傳統(tǒng)光源在我國(guó)出現(xiàn)得比較早，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，其主要包括以白熾燈、熒光燈和鈉光燈等為代表的一般照明光源。傳統(tǒng)光源由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)占有照明市場(chǎng)的很大比重。<

33、/p><p>　　2.1.1 傳統(tǒng)光源的種類(lèi)</p><p><b>　　1. 白熾燈</b></p><p>　　白熾燈是照明史上出現(xiàn)得最早的電燈，它是通過(guò)將燈絲加熱至很高溫度它是通過(guò)將燈絲升高至一定溫度，然后向外輻射形成可見(jiàn)光的。美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生于19世紀(jì)70年代制成第一盞白熾燈以來(lái)，人們又對(duì)燈絲的材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種各樣的改進(jìn)，白熾燈的光效也

34、在這個(gè)過(guò)程中得到不斷提高。</p><p>　　近年來(lái)白熾燈的生產(chǎn)技術(shù)已趨于完備，然而由于白熾燈燈絲所耗電量只有一小部分能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，其光效依然非常低，所以越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始用其他高效光源取代白熾燈，白熾燈逐漸開(kāi)始退出照明市場(chǎng)白熾燈逐漸被照明市場(chǎng)拒之門(mén)外。</p><p>　　白熾燈的構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，主要由燈絲、導(dǎo)線、感柱、燈頭、玻殼幾部分組成玻殼幾部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示[3

35、]。</p><p>　　圖2.1 白熾燈結(jié)構(gòu)</p><p>　　玻殼：外形呈圓球狀，由鉑組玻璃制成，它使燈絲和外界隔離，既能起到保護(hù)燈絲的作用，又能最大限度地保持光的透過(guò)率。白熾燈在正常工作狀態(tài)時(shí)下，其玻殼外表面的溫度超過(guò)了100攝氏度℃。</p><p>　　燈絲：目前的燈絲一般由鎢絲構(gòu)成。鎢絲在高溫下易與空氣反應(yīng)。通電以后，燈絲溫度可以達(dá)到兩千攝氏度以上，只

36、要玻殼內(nèi)存在少許空氣，鎢絲就會(huì)迅速被氧化成三氧化鎢并被燒斷。</p><p>　　導(dǎo)線：由內(nèi)導(dǎo)絲、杜美絲和外導(dǎo)絲三部分共同組成。內(nèi)導(dǎo)絲用的作用是來(lái)導(dǎo)電與固定燈絲，一般由銅絲制成；外導(dǎo)絲的作用是連接燈頭以保證供電，也是由銅絲制成；內(nèi)、外導(dǎo)絲之間一段紅色的金屬絲即杜美絲，它同玻璃感柱密切結(jié)合，保證燈內(nèi)的密閉環(huán)境。</p><p>　　感柱：形狀為喇叭狀的硬質(zhì)玻璃，與玻殼相連，既能固定燈內(nèi)的金屬

37、部件，又能通過(guò)其抽走玻殼內(nèi)的空氣，使燈內(nèi)形成真空。將其下端燒焊密封后，空氣就無(wú)法進(jìn)入燈內(nèi)了。</p><p>　　燈頭：連接燈座和接通電源的金屬器件，同玻殼粘結(jié)在一起構(gòu)成密閉空間。</p><p><b>　　2. 鹵鎢燈</b></p><p>　　鹵鎢燈也是白熾燈的一種。與普通白熾燈不同的是，其玻殼內(nèi)填充的是含有部分鹵化物或鹵族元素的氣體，

38、其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。在普通白熾燈中，高溫下蒸發(fā)的鎢容易在玻殼上大量積淀高溫下蒸發(fā)的鎢容易在玻殼內(nèi)表面大量積淀，會(huì)產(chǎn)生使燈泡玻殼變黑的現(xiàn)象，從而使光的透過(guò)率下降，降低光效。鹵鎢燈的發(fā)明很好地改善了這一現(xiàn)象，它是在玻殼內(nèi)充入六價(jià)元素氟、氯或溴等鹵族元素，使它們和附著在燈內(nèi)壁的鎢反應(yīng)生成鹵化物。這些鹵化物在高溫下極不穩(wěn)定，當(dāng)遇到灼熱的燈絲后迅速分解，又重新生成鎢回到了燈絲上[4]。</p><p>　　圖2.2 鹵鎢

39、燈結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了使玻殼內(nèi)生成氣態(tài)的鹵化物，鹵鎢燈的燈壁溫度要比一般的白熾燈要高得多。所以鹵鎢燈的尺寸比白熾燈就要小很多，玻殼只能由耐強(qiáng)熱的石英玻璃或硬質(zhì)玻璃制成。由于玻殼尺寸小，硬度高，加之工作時(shí)溫度較高，燈內(nèi)的工作氣壓往往比普通白熾燈要大很多。由于在鹵鎢燈中鎢的蒸發(fā)得到有效的抑制，玻殼的發(fā)黑現(xiàn)象也得到消除，所以燈絲工作溫度和發(fā)光效率都大大提高，燈泡的壽命也得到相應(yīng)延長(zhǎng)。</p>&

40、lt;p><b>　　3. 熒光燈</b></p><p>　　熒光燈是當(dāng)前比較節(jié)能的照明燈具光源之一，它屬于弧光放電光源。在通電后，燈內(nèi)的氣壓迅速降低，氣態(tài)汞在低氣壓的作用下會(huì)釋放紫外線，從而使玻殼內(nèi)壁上的熒光物質(zhì)被激活，并發(fā)出可見(jiàn)光。熒光燈的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。</p><p>　　熒光燈主要由燈絲和管型玻殼構(gòu)成，玻殼內(nèi)側(cè)涂有一層熒光物質(zhì)，燈絲又稱(chēng)為陰極，上

41、面涂有一層電子粉。通交流電后，燈絲會(huì)交替轉(zhuǎn)換為陰極和陽(yáng)極。芯柱起到固定燈絲的作用，同時(shí)與玻璃燈管相連形成密閉空間，燈管內(nèi)充滿(mǎn)了水銀蒸氣與惰性氣體[5]。在通電時(shí)，陰極發(fā)熱產(chǎn)生并釋放出自由電子，電子打在燈管內(nèi)自由移動(dòng)的汞原子上，能量發(fā)生了轉(zhuǎn)移，汞原子吸收電子的能量后，釋放出紫外線并被熒光粉充分吸收即可產(chǎn)生肉眼能夠看見(jiàn)的光。</p><p>　　圖2.3 熒光燈結(jié)構(gòu)</p><p><b

42、>　　4. 鈉燈</b></p><p>　　鈉燈是利用固體鈉在高溫下形成蒸氣并產(chǎn)生放電，從而形成肉眼可見(jiàn)的光的電光源。鈉燈按其種類(lèi)可分為低壓鈉燈和高壓鈉燈，其結(jié)構(gòu)如圖2.4和圖2.5所示。</p><p>　　低壓鈉燈是利用鈉在低壓環(huán)境下放電形成可見(jiàn)光的電光源，其正常工作時(shí)，燈內(nèi)氣壓最多只有幾個(gè)帕。在玻殼內(nèi)充滿(mǎn)了氬氖惰性氣體。剛開(kāi)始通電后，燈管呈現(xiàn)出Ne的特征紅光，隨著

43、燈內(nèi)溫度逐漸升高，鈉開(kāi)始蒸發(fā)并輻射出可見(jiàn)光。低壓鈉燈的發(fā)光光譜大部分集中在可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)，故其發(fā)光效率很高。</p><p>　　高壓鈉燈大都由多晶氧化鋁管，鐵絲框架，電極與玻殼等部分組成，燈管內(nèi)充滿(mǎn)了鈉，汞蒸氣和稀有氣體。放電時(shí)，燈管內(nèi)部氣壓大于0.01兆帕。在恒定電壓條件下，電路中一般需要串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓器以保證燈泡正常工作所需的額定電壓。加電壓后，電極之間形成電弧，使得管內(nèi)溫度迅速升高，電子從陰極逸出并向陽(yáng)極

44、運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中不斷撞擊管內(nèi)自由移動(dòng)的鈉原子和汞原子，并產(chǎn)生了能量轉(zhuǎn)移，獲得能量的鈉原子和汞原子在恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中，會(huì)將一部分能量以可見(jiàn)光的形式釋放[6]。</p><p>　　圖2.4 低壓鈉燈結(jié)構(gòu) 圖2.5 高壓鈉燈結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.2傳統(tǒng)光源的應(yīng)用與發(fā)展</p><p>　　人類(lèi)社會(huì)自發(fā)現(xiàn)火并利用火照明以

45、來(lái)，走過(guò)了制造和使用油燈、煤氣燈和蠟燭的漫長(zhǎng)歲月，自1879年美國(guó)科學(xué)家愛(ài)迪生發(fā)明第一盞電燈以來(lái)，人類(lèi)在照明之路上一直不斷前進(jìn)。照明光源是一種文化，是一段悠久的歷史，它蘊(yùn)含著人類(lèi)文明不斷前進(jìn)的動(dòng)力，凝聚著人類(lèi)美好的理想和無(wú)窮的智慧。(將圖片高度修改為7.83，否則，看起來(lái)大了一些)</p><p>　　圖2.6 傳統(tǒng)光源在各種場(chǎng)所的應(yīng)用</p><p>　　傳統(tǒng)光源在照明領(lǐng)域一直有著舉足輕

46、重的地位，隨著科技日新月異的發(fā)展，傳統(tǒng)光源逐漸朝著節(jié)能、高效、環(huán)保的方向不斷發(fā)展，即使在LED光源不斷普及的今天，傳統(tǒng)光源任然占有一席之地。傳統(tǒng)光源的應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于各種不同場(chǎng)所的照明，如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 傳統(tǒng)光源在各種場(chǎng)所的應(yīng)用</p><p><b>　　2.2 LED光源</b></p><p>　　L

47、ED作為綠色節(jié)能的新時(shí)期照明光源，有著許多傳統(tǒng)光源未曾有過(guò)的優(yōu)點(diǎn)及用途。本節(jié)主要對(duì)LED光源的特性和工作原理做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。</p><p>　　2.2.1 LED的特性及其工作原理</p><p>　　LED具備許多突出的特點(diǎn)，和一般的傳統(tǒng)光源相比，它的發(fā)展?jié)摿Ω?，用途更廣。一般來(lái)說(shuō)其優(yōu)點(diǎn)主要有：</p><p>　　1. 效率高：LED

48、是固體半導(dǎo)體發(fā)光器件，依靠電子獲得能量躍遷發(fā)光，其發(fā)光效率可高達(dá)97%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源。</p><p>　　2.體積小：LED大都由一塊被密封在透明樹(shù)脂內(nèi)部的微型晶片構(gòu)成，尺寸較小，使用方便。容易開(kāi)發(fā)成為各種精致的點(diǎn)、線、面型應(yīng)用產(chǎn)品。</p><p>　　3. 能耗低：LED的工作電壓一般為2-3.6V，工作電流一般為0.02-0.03A，故其功率較小，能耗較低。</p>

49、<p>　　4. 壽命長(zhǎng)：LED使用透明樹(shù)脂封裝，能承受較大的壓強(qiáng)和沖擊，不易破碎，也不存在燈絲容易熔斷等缺陷，其平均壽命可達(dá)一般光源的十倍以上。</p><p>　　5.顏色多樣：既有白光LED，也有紅、藍(lán)、黃等多種色光的LED，并且其光譜大都較窄，單色性相對(duì)較好。</p><p>　　6.綠色環(huán)保：LED的零件都是由無(wú)毒材料制成，不像汞燈等其他傳統(tǒng)光源含有重金屬，對(duì)環(huán)境影響

50、幾乎為零；同時(shí)LED能夠循環(huán)再利用，處理的花費(fèi)較低。</p><p>　　7.安全可靠：LED光源為冷光源，其工作時(shí)輻射少，熱量低，對(duì)人眼危害較小，可以安全觸摸，并且其發(fā)光光型和角度都易于準(zhǔn)確控制，光色比較柔和，不含危害健康的物質(zhì)[7]。</p><p>　　LED的優(yōu)點(diǎn)如此之多，因而研究LED的發(fā)光原理也是不可或缺的。</p><p>　　LED是一種注入型電致發(fā)

51、光器件，是由Ⅲ－Ⅳ族化合物在Si型襯底的外延生長(zhǎng)而形成，其主要部分是PN結(jié)。平衡狀態(tài)下的PN結(jié)存在一定的勢(shì)壘區(qū)域，形成圖2.7所示的注入發(fā)光能帶。將正向電壓加在PN結(jié)區(qū)后，勢(shì)壘降低，大量的非平衡載流子（電子）從擴(kuò)散區(qū)注入，這些電子將從高能級(jí)EC跌落到低能級(jí)EV，并和價(jià)帶中的多數(shù)載流子（空穴）復(fù)合，在這一過(guò)程中，電子從高能級(jí)跌落至低能級(jí)要釋放一部分能量，釋放的方式為發(fā)輻射或發(fā)光，顯然發(fā)光集中在了P區(qū)。如圖2.7所示，LED在正向電壓的作用

52、下，電子和空穴做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即電子沿導(dǎo)帶從N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，而空穴則沿價(jià)帶向N區(qū)移動(dòng)。由于電子的遷移率比空穴高近20倍左右，電子便很快從N區(qū)移動(dòng)到P區(qū)[8]；而P區(qū)因受主能級(jí)很深，并且形成了雜質(zhì)能帶，因而減少了有效帶隙的寬度，電子易于跌落到價(jià)帶與空穴復(fù)合并發(fā)光[8]。</p><p>　　圖2.7 LED發(fā)光原理圖</p><p>　　2.2.2 LED的應(yīng)用及其發(fā)展前景</p>

53、<p>　　自上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，LED產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)飛速建立并持續(xù)發(fā)展。除中國(guó)外，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家及地區(qū)，都相繼把發(fā)光二極管照明列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)，并先后制定了新型光源照明計(jì)劃，想要在這一熱門(mén)領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先的水平。</p><p>　　在LED出現(xiàn)的初期，由于其光效不高且價(jià)格比較昂貴，LED的普及一直受到很大制約。近幾年隨著LED生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新，LED的價(jià)格也有所下跌，目前LE

54、D在國(guó)內(nèi)許多地區(qū)已經(jīng)投入使用，因?yàn)長(zhǎng)ED光效較高，政府也一直提倡用LED路燈替代傳統(tǒng)路燈，民眾逐漸意識(shí)到LED光源的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)官方推測(cè)，到本世紀(jì)中葉全球?qū)⒂瓉?lái)以LED為主導(dǎo)的嶄新的照明革命。</p><p>　　LED產(chǎn)品在各行各業(yè)都有一定的應(yīng)用，大致可以分為以下三類(lèi)：</p><p>　　1．照明應(yīng)用：LED光源在家用照明、汽車(chē)照明、路燈照明、應(yīng)急照明等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其中電子設(shè)備的

55、背光源是其應(yīng)用最大的領(lǐng)域。圖2.8為照明領(lǐng)域的具體應(yīng)用。(將圖片高度修改為7.83，否則，圖看起來(lái)大了一些)</p><p>　　a:LED手電筒 b:LED汽車(chē)前燈</p><p>　　c:LED應(yīng)用于水立方 d:LED應(yīng)用于背光源</p><p>　　圖2.8 LED在照明領(lǐng)

56、域的應(yīng)用</p><p>　　1．照明應(yīng)用：LED光源在家用照明、汽車(chē)照明、路燈照明、應(yīng)急照明等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其中電子設(shè)備的背光源是其應(yīng)用最大的領(lǐng)域。圖2.8為照明領(lǐng)域的具體應(yīng)用。。a:LED手電筒；b:LED汽車(chē)前燈c:LED應(yīng)用于水立方 d:LED應(yīng)用于背光源</p><p>　?。▽⒋藞D改為圖2.6的形式）</p><

57、p>　　2．顯示應(yīng)用：LED光源亮度較高，可以應(yīng)用于商場(chǎng)宣傳、教育教學(xué)以及各種服務(wù)行業(yè)，如大屏幕顯示、指示牌、廣告牌等。圖2.9為L(zhǎng)ED用于顯示的具體例子。</p><p>　　圖2.9 LED的顯示應(yīng)用</p><p>　　3．信號(hào)指示燈應(yīng)用：如交通指示燈、汽車(chē)轉(zhuǎn)向燈，在物理教學(xué)中，各種實(shí)驗(yàn)儀器的報(bào)警燈也大多是由LED制成。圖2.10、2.11是LED在信號(hào)指示燈中的應(yīng)用。<

58、/p><p>　　圖2.10 LED交通信號(hào)燈 圖2.11 實(shí)驗(yàn)儀器信號(hào)燈</p><p>　　發(fā)光二極管成為目前最具潛力的新型光源，正日益引起人們的廣泛關(guān)注。LED在早期的應(yīng)用局限于一般的儀器顯示燈和各種家用電器的電源顯示燈，現(xiàn)在已經(jīng)被普遍用于家用照明、汽車(chē)尾燈、交通信號(hào)和景觀裝飾等，以及現(xiàn)在不斷普及的道路照明和LED背光光源等，在二三十年的時(shí)間里，其快速的發(fā)展

59、是眾所周知的。</p><p>　　在資源面臨枯竭，環(huán)境問(wèn)題亟待解決的今天，LED憑著其亮度高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保節(jié)能等顯著優(yōu)勢(shì)，在各種照明光源中嶄露頭角。用LED取代傳統(tǒng)光源已經(jīng)指日可待，LED照明必然開(kāi)啟人類(lèi)照明領(lǐng)域一扇新的大門(mén)。</p><p>　　2.3 LED光源與傳統(tǒng)光源的比較</p><p>　　與LED相比，傳統(tǒng)光源的確存在或多或少的缺點(diǎn)，LED光源的某些

60、特點(diǎn)是一般光源不能取代的。</p><p>　　首先將人類(lèi)社會(huì)最早用到的電光源——白熾燈與LED光源做一下對(duì)比。白熾燈自發(fā)明以來(lái)，盡管經(jīng)過(guò)了多次的改進(jìn)，但其光效仍然不高，其次是其玻殼易碎，難以長(zhǎng)期保存。因?yàn)榘谉霟羰且揽繜彷椛浒l(fā)出可見(jiàn)光，所以散熱問(wèn)題一直是白熾燈待解決的一大難題，白熾燈的壽命在照明光源中并不算長(zhǎng)，所以今后被其他更節(jié)能的光源取代也已成定局。在節(jié)能環(huán)保的大潮中，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始禁止白熾燈的生

61、產(chǎn)與使用，白熾燈逐漸從照明市場(chǎng)被淘汰。</p><p>　　其次是現(xiàn)在最常用的熒光燈，從二十世紀(jì)三十年代通用電氣公司對(duì)熒光燈改進(jìn)以來(lái)，熒光燈的發(fā)光效率、使用壽命等多項(xiàng)性能都有了較大提升。因?yàn)闊晒鉄羰前l(fā)光效率較高的線狀光源，操作控制比較簡(jiǎn)便，光色較白熾燈更加柔和，單個(gè)熒光燈的光通量可以達(dá)到幾千流明，因?yàn)槠淞炼确浅８撸阅壳暗氖覂?nèi)照明大多使用的是熒光燈，加之其價(jià)格便宜，因此在目前的使用量不會(huì)減少，難以被LED大規(guī)模

62、取代。但熒光燈的汞污染問(wèn)題一直受到民眾很大關(guān)注，假如這一問(wèn)題能夠得到妥善處理，熒光燈在未來(lái)的照明市場(chǎng)仍能占有一席之地。</p><p>　　最后是鹵鎢燈，近幾年許多國(guó)家和地區(qū)先后制定了禁止白熾燈生產(chǎn)和使用的法案，但鹵鎢燈卻未進(jìn)入限制的范疇。從實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)，鹵鎢燈也是白熾燈的一種，受燈絲高溫的影響，它的輻射絕大多數(shù)位于近紅外波段，光效不可能達(dá)到很高，燈絲在高溫下的蒸發(fā)，也限制了它的使用壽命，當(dāng)前鹵鎢燈的光效和使用壽命

63、僅略高于白熾燈[9]。鹵鎢燈安裝使用簡(jiǎn)單，制作工藝也較為成熟，并且價(jià)格便宜，加之客戶(hù)的需求習(xí)慣，鹵鎢燈在當(dāng)今還有一定的生存空間。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，為了適應(yīng)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的需求，鹵鎢燈在未來(lái)還是有可能被LED取代。</p><p>　　綜上所述，可知LED光源在眾多光源中確實(shí)有著其突出的特點(diǎn)，如發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保等。圖2.12是LED與幾種傳統(tǒng)光源發(fā)光效率的對(duì)比，表2.1是傳統(tǒng)光源與LED光源的參數(shù)對(duì)比。&l

64、t;/p><p>　　圖2.12 LED與傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率對(duì)比</p><p>　　綜上所述，可知LED光源在眾多光源中確實(shí)有著其突出的特點(diǎn)，如發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保等。圖2.12是LED與幾種傳統(tǒng)光源發(fā)光效率的對(duì)比，表2.1是傳統(tǒng)光源與LED光源的參數(shù)對(duì)比。</p><p>　　圖2.12 LED與傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率對(duì)比</p><p>

65、;　　表2.1 傳統(tǒng)光源與LED光源參數(shù)表</p><p>　　現(xiàn)如今，傳統(tǒng)光源與LED光源在不同的領(lǐng)域應(yīng)用情況也有所差異。由于LED比傳統(tǒng)光源造價(jià)更高，如果從數(shù)目來(lái)看，LED光源在戶(hù)外裝飾和儀器設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用得更為廣泛，而在生活、工作應(yīng)用得更多的仍是傳統(tǒng)光源。對(duì)于一般的設(shè)施和場(chǎng)所，整體的照明大多數(shù)仍然使用傳統(tǒng)光源，LED光源只起到局部裝飾作用；但對(duì)于高檔場(chǎng)所如賓館、酒店和小型會(huì)議室等，照明光源還是優(yōu)先選擇LED

66、光源，因?yàn)槠淇梢赃_(dá)到更好的照明效果。</p><p>　　2.4 光度學(xué)相關(guān)參數(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　本文討論了LED光源的一些技術(shù)涉及到了光度學(xué)方面的內(nèi)容，為了讓讀者更明白各參數(shù)的意義，先對(duì)本文將用到的光度學(xué)知識(shí)作簡(jiǎn)要介紹。光度學(xué)是研究各種光度量及其測(cè)定的物理學(xué)科分支，是探究光產(chǎn)生、傳播和接收等過(guò)程中光的計(jì)量問(wèn)題的科學(xué)。了解光度學(xué)能讓我們對(duì)LED光源的優(yōu)良特性有更好的理解。</

67、p><p>　　光通量：人的眼睛能夠感覺(jué)到的，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的輻射能即為光通量。其單位為流明，用符號(hào)lm表示。</p><p>　　發(fā)光強(qiáng)度：特定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量即稱(chēng)為發(fā)光強(qiáng)度，并用符號(hào)Iv表示，發(fā)光強(qiáng)度的國(guó)際制單位是坎德拉，符號(hào)為cd。</p><p>　　亮度：?jiǎn)挝幻娣e上的發(fā)光強(qiáng)度即稱(chēng)為亮度，用Lv表示。亮度能夠反應(yīng)發(fā)光物體表面的發(fā)光強(qiáng)弱。</p

68、><p>　　照度：在被照射物體的單位面積上所能接收的光通量就稱(chēng)為光照度，用Ev表示。它的單位是勒克斯，用lx表示[10]。</p><p>　　2.5 4 本章小結(jié)</p><p>　　和傳統(tǒng)光源相比，LED光源的優(yōu)點(diǎn)有如此之多，但LED光源的使用范圍仍然十分狹窄，要想讓LED光源的應(yīng)用更加廣泛，使用更加普及，必須在技術(shù)不斷提高的同時(shí)，適當(dāng)降低產(chǎn)品價(jià)格，這樣才能被廣大

69、消費(fèi)者接受。</p><p>　　第三章 LED光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　物理實(shí)驗(yàn)中電學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)占有較大比重，LED作為一項(xiàng)重要的光電器件，在物理實(shí)驗(yàn)中一直有著舉足輕重的作用。實(shí)驗(yàn)中使用的傳統(tǒng)光源器件白熾燈、鈉光燈和汞燈等傳統(tǒng)光源大多效率比較低，體積大，壽命短，并且安全性不高。隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，LED因其工作電壓低，可靠性高，壽命長(zhǎng)，效率高等特性逐漸在物理實(shí)驗(yàn)中得到越

70、來(lái)越多的應(yīng)用。</p><p>　　3.1 LED光源在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　由于LED光源有著亮度高，單色性好以及光色均勻等優(yōu)點(diǎn)，因此在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常把LED作為光源。</p><p>　　3.1.1 薄透鏡焦距測(cè)定實(shí)驗(yàn)</p><p>　　測(cè)定薄透鏡的焦距有多種途徑，實(shí)驗(yàn)室最常用的有自準(zhǔn)法以及物距像距法。自準(zhǔn)法是通過(guò)調(diào)整實(shí)

71、驗(yàn)儀器位置，使光源穿過(guò)透鏡后形成平行光源以實(shí)現(xiàn)調(diào)焦目的。而物距像距法是運(yùn)用一組凹透鏡和凸透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)測(cè)出實(shí)像和虛像的具體位置，然后運(yùn)用高斯公式得出焦距。圖3.1和圖3.2分別為自準(zhǔn)法和物距像距法的實(shí)驗(yàn)圖。</p><p>　　圖3.1 自準(zhǔn)法測(cè)焦距</p><p>　　圖3.2 物距像距法測(cè)焦距</p><p>　　在做“薄透鏡焦距測(cè)量”實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們最常用到的

72、光源是由白熾燈和透鏡構(gòu)成的平行光源。鎢絲燈作為利用熱輻射發(fā)光的傳統(tǒng)光源，發(fā)熱量較大，為確保燈絲在正常工作時(shí)避免因高溫熔斷，該實(shí)驗(yàn)光源的散熱裝置被設(shè)計(jì)成平行百葉窗式，因此在這個(gè)部分會(huì)有一些光線泄漏，從而使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置背景光過(guò)強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成了很大影響。特別是當(dāng)測(cè)量透鏡組的焦距時(shí)，因?yàn)楸尘肮鈱?duì)實(shí)驗(yàn)干擾較大，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不令人滿(mǎn)意[10]。解決該問(wèn)題的方案是用一個(gè)半徑為5厘米的高亮度紅色LED來(lái)取代屏幕照明，并對(duì)該LED進(jìn)行一定的

73、改裝，在LED的頂部5毫米處橫向切割環(huán)氧樹(shù)脂外殼，如圖3.3所示，然后用砂紙打磨切割面使之平滑。在LED的工作狀態(tài)下，磨砂面具備漫射光的特性，因此能夠有效減弱光學(xué)暗室的背景光，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到顯著改進(jìn)。此外，因?yàn)槭褂玫氖菃紊獿ED，因此有效減少了透鏡組的色散對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的干擾[11]。</p><p>　　圖3.3 LED加工示意圖</p><p>　　3.1.2 LED在全息照相實(shí)驗(yàn)中的

74、應(yīng)用</p><p>　　全息照相的應(yīng)用十分廣泛，它是一項(xiàng)以干涉、衍射等光學(xué)理論為基礎(chǔ)的技術(shù)。全息圖可以記載物體的全部光信息，包括物體每一處的振幅與相位；全息圖中每個(gè)位置都包含了物體的具體信息，因此全息底片的每個(gè)角度都能觀察到與實(shí)物十分相似的立體影像。另外，由于全息照相的記錄與再現(xiàn)需要使用相干性很高的光源，所以實(shí)驗(yàn)室一般使用的是氦氖激光。</p><p>　　全息底片被氦氖激光照射時(shí)，可以

75、看到與物體十分類(lèi)似的立體虛像；但在白光照射時(shí)難以再現(xiàn)，無(wú)論白熾燈、鹵鎢燈還是低壓汞燈，都由于光源的單色性與點(diǎn)光源這兩大要素不能同時(shí)達(dá)成，再現(xiàn)效果十分不理想。而LED在這兩個(gè)方面表現(xiàn)出了自己的獨(dú)特之處：首先是其單色性不錯(cuò)，其次是它具備特定的發(fā)散角度[11]。使用LED代替He-Ne激光來(lái)再現(xiàn)物體時(shí)，其效果與在He-Ne激光下的效果如出一轍，如圖3.4所示。尤其是黃光LED作用更加明顯，而且操作起來(lái)也非常方便[12]。</p>

76、<p>　　圖3.4 LED在全息照相中的應(yīng)用</p><p>　　全息照相在許多行業(yè)中都有運(yùn)用，但目前許多還處在起步階段。如全息通信技術(shù)，全息顯微技術(shù)和全息干涉技術(shù)等，隨著生產(chǎn)工藝的不斷突破和革新，全息照相技術(shù)將在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，LED在全息照相技術(shù)中的應(yīng)用也會(huì)日益廣泛，在未來(lái)不斷發(fā)展的全息科技中，LED必將發(fā)揮其無(wú)可替代的作用。</p><p>　　

77、3.1.3 分光計(jì)讀數(shù)照明</p><p>　　在做“光柵衍射”演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)槭茏x數(shù)照明燈影響較大，光學(xué)暗室內(nèi)背景光變得過(guò)亮，在觀察汞燈的二級(jí)譜線時(shí)，由于光譜線處于背景光中難以區(qū)分，因此想要精準(zhǔn)地確定光譜的坐標(biāo)十分困難，個(gè)別儀器甚至不能分辨出二級(jí)光譜。</p><p>　　利用實(shí)驗(yàn)提供的交變電源，按圖3.5所示電路連結(jié)好LED和電阻R。LED采用半徑為3毫米的彩色LED ，電阻R阻值一般

78、較大，此處采用2千歐。因?yàn)長(zhǎng)ED也同一般二極管類(lèi)似，只有在PN結(jié)加正偏壓時(shí)才呈現(xiàn)為導(dǎo)通狀態(tài)，故該電路等效于半波整流電路。</p><p>　　圖3.5 電路連接原理圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中我們采用的發(fā)光二極管半主光束角不大于3°，因?yàn)長(zhǎng)ED具有良好的聚光性能，在正常工作時(shí)，光源距光屏約為25厘米，聚光區(qū)光斑半徑小于1厘米，并且聚光區(qū)照度至少可以達(dá)到16坎，而聚光區(qū)以外的照度

79、不超過(guò)2.0坎。由此可見(jiàn)，這一措施在不影響讀數(shù)的情況下，有效降低了實(shí)驗(yàn)背景光的亮度，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。</p><p>　　3.2 LED光源在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　LED具備單向?qū)щ娦阅埽軜?gòu)成限幅、電平選擇等多種電路。LED不僅可以作為光學(xué)器件，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)里的運(yùn)用實(shí)例也數(shù)不勝數(shù)。</p><p>　　3.2.1 LED在自感現(xiàn)

80、象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　當(dāng)線圈中的電流發(fā)生改變時(shí)，它周?chē)拇艌?chǎng)也會(huì)隨之改變，并由此引起磁通量的變化，此時(shí)在線圈中就會(huì)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)總是阻礙著線圈中原來(lái)電流的改變。此電動(dòng)勢(shì)即自感電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就叫做自感現(xiàn)象。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)室通常使用兩個(gè)小燈泡的并聯(lián)裝置來(lái)演示自感現(xiàn)象，如圖3.6所示。合上開(kāi)關(guān)K后，小燈泡A21立即就亮了，而A12則是慢慢變亮，最終達(dá)到

81、與A21一樣的亮度。但這個(gè)電路存在兩點(diǎn)不足：一方面由于兩個(gè)線路分開(kāi)演示，學(xué)生容易對(duì)通、斷電時(shí)的自感現(xiàn)象形成誤解，另一方面從燈泡的亮滅情況無(wú)法明確電流的流向[12]。</p><p>　　圖3.6 傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象演示電路</p><p>　　為了能較好地展示通、斷電自感現(xiàn)象，我們可以在不改變?cè)娐方Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用LED替代A1，A2兩個(gè)小燈泡，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。改進(jìn)后的電路如圖3.7所示

82、。其中D1，D2是一對(duì)反向并聯(lián)的發(fā)光二極管，D1取紅色，D2取綠色。</p><p>　　圖3.7 改進(jìn)后的電路</p><p>　　連通開(kāi)關(guān)K后，即可觀察到電阻支路的D1迅速變亮，而小燈泡則逐漸變亮。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K后，D1迅速熄滅，D2閃爍了一下后熄滅，通過(guò)該現(xiàn)象即可解釋自感現(xiàn)象。利用此電路既可以驗(yàn)證有無(wú)電流產(chǎn)生，又可以同時(shí)觀察到電流的流向，從而能使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象的本質(zhì)。</p

83、><p>　　3.2.2 LED在電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　置于變化磁場(chǎng)中的導(dǎo)體，會(huì)因?yàn)榇磐康牟粩喔淖兌纬呻妱?dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是人們常說(shuō)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。</p><p>　　課本上常見(jiàn)的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)電流計(jì)來(lái)檢測(cè)線圈中是否有電流產(chǎn)生以及電流的流向的。如圖3.8所示，可以依據(jù)電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)方向來(lái)確定感生電流的方向，但必需在實(shí)驗(yàn)之前先確認(rèn)電流

84、流向和電流計(jì)指針旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)指針會(huì)因?yàn)閼T性旋轉(zhuǎn)非?；靵y，所以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往受到較大干擾。</p><p>　　圖3.8 電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)連接圖</p><p>　　由于LED具有單向?qū)щ娦院桶l(fā)光特性，因此可將實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)成圖3.9所示。其中D1，D2為一對(duì)反向并聯(lián)的LED。當(dāng)磁鐵相對(duì)于線圈靜止時(shí)，回路中無(wú)電流形成，兩只LED均不發(fā)光。將磁鐵插入線圈時(shí)，可觀察到D1亮，D2不亮，表

85、明線圈中的磁通量發(fā)生了變化，線圈中產(chǎn)生了電流，且其流向如圖中I1所示。將磁鐵快速拔出線圈時(shí)，D2亮，D1不亮，說(shuō)明線圈中的磁通量又發(fā)生了改變，此時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向如圖中I2所示[133]。</p><p>　　圖3.9 改進(jìn)后的電路</p><p>　　這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很好地說(shuō)明了電磁感應(yīng)的一般規(guī)律，并且在實(shí)驗(yàn)中可以根據(jù)兩只LED的發(fā)光情況簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地判斷出電流方向，避免了不必要的實(shí)驗(yàn)誤差，使

86、實(shí)驗(yàn)效果得到了很大提高。</p><p>　　3.2.3 LED在電容充放電演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　在電容器的充放電實(shí)驗(yàn)中，我們只對(duì)其進(jìn)行了理論上的分析，學(xué)生無(wú)法形象地看到電容器的充放電過(guò)程，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理并不能很好地理解。電容具有充放電的特性，我們可以利用如圖3.10所示的裝置較好地演示這一現(xiàn)象。</p><p>　　圖3.10 電容充放電演示裝置

87、</p><p>　　裝置中使用了兩個(gè)反向并聯(lián)的LED——D1和D2，其中D1取紅色，D2取綠色。當(dāng)開(kāi)關(guān)K打至1時(shí)，電容開(kāi)始充電，D1發(fā)出紅光，并且開(kāi)始較亮，而后逐漸變暗，最后熄滅，而D2始終不發(fā)光，這說(shuō)明了充電電流是由大變小，最后變至零的。待D1熄滅后，將開(kāi)關(guān)K打至2，此時(shí)電容開(kāi)始放電，D2發(fā)出綠光，并且開(kāi)始較亮，而后逐漸變暗，最終熄滅，D1始終不發(fā)光，這說(shuō)明了放電電流也是由大變小，最終變?yōu)榱?，同時(shí)也說(shuō)明了充電

88、電流和放電電流在回路中的流向是相反的。</p><p>　　用這個(gè)裝置還可以檢測(cè)電容性能的好壞。如果電容C漏電或短路，則在充電時(shí)兩個(gè)發(fā)光二極管D1與D2會(huì)交替亮暗。若電容C容量枯竭或開(kāi)路，則兩者都不會(huì)發(fā)光。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生能直觀地認(rèn)識(shí)到電容充放電時(shí)電流大小和方向的變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解將更加深刻。</p><p>　　3.3 LED光源在其他物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p>&l

89、t;p>　　LED優(yōu)良的特性確立了其在實(shí)驗(yàn)中獨(dú)一無(wú)二的特殊地位。近年來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，LED除了在光學(xué)和電磁學(xué)中廣泛的應(yīng)用外，在其他實(shí)驗(yàn)中也逐漸發(fā)揮其獨(dú)特的作用。</p><p>　　3.3.1 LED演示光纖通信</p><p>　　光纖通信作為一門(mén)高新技術(shù)，在最近幾年發(fā)展十分迅速，應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛。光纖在光纖通信中有著舉足輕重的作用，而其工作原理也是物理教學(xué)中一個(gè)

90、重要部分，我們可以通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)來(lái)演示其工作原理，讓學(xué)生加深對(duì)光纖通信的理解。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)需要的器材有：一根透明的塑料管，其內(nèi)徑要求和發(fā)光二極管的直徑相同，在其中灌滿(mǎn)水，來(lái)模擬光纖；集成音樂(lè)卡一枚，可以在舊傳呼機(jī)、音樂(lè)賀卡中拆得。為了使發(fā)光二極管能在較小音樂(lè)電平時(shí)導(dǎo)通，以減小聲音的失真，首先需將音樂(lè)卡的輸出端接入放大器，使聲音信號(hào)放大，連接時(shí)注意要找準(zhǔn)LED的正負(fù)極。塑料管的另一頭端和與光敏二極管相連

91、連接，光敏二極管再與電池相接光敏二極管后接電池，連接時(shí)同樣需要注意接對(duì)正負(fù)極，最后再將其接入錄音機(jī)或功率放大器的拾音插座。裝置連接如圖3.11所示，為了能夠較好地還原聲音信號(hào)，在連接發(fā)光二極管和光敏二極管時(shí)需要保證塑料管內(nèi)沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。</p><p>　　圖3.11 光纖通信實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　當(dāng)音樂(lè)卡通電時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)隨之閃爍，光信號(hào)借助塑料管中的水發(fā)生全反射并最終到達(dá)光敏

92、二極管，光敏二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后送入拾音插座放大，最終就得到了還原的聲音信號(hào)[144]。由于發(fā)光二極管存在門(mén)限電壓，聲音在傳播的過(guò)程中會(huì)有一定的失真，但這并不影響我們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。</p><p>　　3.3.2 LED在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用</p><p>　　在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們常常需要根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)推算出物體的速度、加速度等未知量，由于物體運(yùn)動(dòng)速度較快，普

93、通的描繪方法難以準(zhǔn)確地還原物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)就需要用到頻閃儀了。頻閃儀可以發(fā)出間隔時(shí)間非常短的閃光，當(dāng)閃光頻率與物體的運(yùn)動(dòng)速度相似時(shí)，利用視頻跟蹤就能很清楚地觀察到高速運(yùn)動(dòng)物體的具體狀況。圖3.12為L(zhǎng)ED頻閃儀。</p><p>　　圖3.12 LED頻閃儀</p><p>　　由于發(fā)光二極管響應(yīng)速度迅速，因此常用作頻閃光源。與舊式頻閃光源相比，LED頻閃光源不僅體積更小，而且亮度也有

94、了很大的提高，與數(shù)碼相機(jī)連接后用于實(shí)驗(yàn)演示十分便捷。同時(shí)因?yàn)榘l(fā)光二極管是低壓供電，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也保障了安全。</p><p>　　將多個(gè)高亮度發(fā)光二極管并排安裝在電路板上構(gòu)成的一個(gè)簡(jiǎn)單的頻閃儀，電路如圖3.13所示。再將其接至低頻信號(hào)發(fā)生器的輸出端。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率就能調(diào)節(jié)頻閃儀的頻閃間隔，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)源的輸出功率就能調(diào)節(jié)頻閃儀亮度。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)頻閃儀，用相機(jī)記錄物體的運(yùn)行軌跡（如勻加速、勻減速等運(yùn)

95、動(dòng)），若同時(shí)連接投影儀還能顯示物體運(yùn)動(dòng)的軌跡圖像，整個(gè)過(guò)程都一覽無(wú)余[155]。由此計(jì)算出的速度、加速度等物理量也更加精確。如果需要增大光強(qiáng)，可選取大功率LED，但為了給LED發(fā)光陣列提供充足的能量，需要在信號(hào)發(fā)生器輸出端增加一個(gè)功率放大電路。</p><p>　　圖3.13 高亮度LED電路</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p>

96、<p>　　發(fā)光二極管在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中LED由于其亮度高，單色性好等特性，常被用作光源；在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中，LED由于其單向?qū)щ娦?，可以用?lái)改進(jìn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象等多種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。此外，LED還具有綠色節(jié)能、安全可靠等優(yōu)良特性。 LED的應(yīng)用使使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得非常十分直觀，便于學(xué)生能更好地觀察認(rèn)識(shí)和理解實(shí)驗(yàn)，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣不但可以激發(fā)學(xué)生探索問(wèn)題的興趣，又便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果而且便于學(xué)生

97、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的分析與總結(jié)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好的效果在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了顯著的成果。</p><p><b>　　第四章 結(jié)論</b></p><p>　　在倡導(dǎo)環(huán)境友好型，資源節(jié)約型社會(huì)的當(dāng)今時(shí)代，LED作為節(jié)能環(huán)保的新型光源，引起了人們極大關(guān)注。若能用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，必然將使人類(lèi)社會(huì)步入一個(gè)新的階段。然而，由于我國(guó)目前掌握的LED的核心技術(shù)不多，

98、且產(chǎn)能比較分散，導(dǎo)致LED價(jià)格昂貴，在很多領(lǐng)域難以推廣，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域便是其中之一。本文研究的主題是發(fā)光二極管在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，將LED與傳統(tǒng)光源進(jìn)行了對(duì)比，并得出了其優(yōu)于傳統(tǒng)光源的許多特性。從節(jié)能、高效、簡(jiǎn)便理念出發(fā)，探討了LED在光學(xué)、電磁學(xué)等一系列實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，并得出了使用LED改良實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀，結(jié)果也更加準(zhǔn)確，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理也能有更好的認(rèn)知和理解。中國(guó)是LED的生產(chǎn)大國(guó)，但也是LED的使用小國(guó)，研究LED在物理實(shí)

99、驗(yàn)中的應(yīng)用為L(zhǎng)ED在各行各業(yè)的應(yīng)用提供了可能，為我國(guó)LED光源的推廣奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我相信只要通過(guò)國(guó)家的政策鼓勵(lì)，LED生產(chǎn)企業(yè)的努力研發(fā)，LED在我國(guó)的廣泛應(yīng)用指日可待。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]房海明,肖旭華.21世紀(jì)的新光源[J].新經(jīng)濟(jì),2009,08:32-35.</p><p>　　[

100、2]孫紹伍,郭赫,孫立勇. LED在物理演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2006,03:106-110.</p><p>　　[3]王新安.白熾燈的工作特性及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[J].天中學(xué)刊;1999,05:8-10.</p><p>　　[4]江姍.鹵鎢燈充鹵素量的研究[J].中國(guó)照明電器,2005,09,29-32.</p><p>　　[5]俞安琪,喬更新.熒光

101、燈弧光放電的新型電子設(shè)計(jì)[J].照明與視覺(jué)環(huán)境,2005,09:27-30.</p><p>　　[6]魯宇霖,劉雙喜,趙桂根.高壓鈉燈節(jié)能探索[J].城市照明,2010,02:20-21.</p><p>　　[7]周太明,宋賢杰.LED—21世紀(jì)照明新光源[J].照明工程學(xué)報(bào),2011,12,37-40.</p><p>　　[8]王慶有,藍(lán)天,胡穎.光電技術(shù)[

102、M].電子工業(yè)出版社,2005:36-37.</p><p>　　[9]全軍.LED與傳統(tǒng)光源[C].中國(guó)道路照明論壇論文集.2009:125-129.</p><p>　　[10]王慶有.光電傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2007,07:2-5.</p><p>　　[1110]羅旺,孫為民.高亮度LED在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2008,0

103、6:42.</p><p>　　[1211]劉星云,胡德敬.高亮度高純度發(fā)光二極管在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的若干應(yīng)用[J].大學(xué)物理,2003,07:36.</p><p>　　[12]羅振國(guó).自感現(xiàn)象中的演示實(shí)驗(yàn)總結(jié)[J].物理教學(xué)探討:中學(xué)教學(xué)教研專(zhuān)輯,2011,12:74-76.</p><p>　　[1313]陶洪.發(fā)光二極管在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn),1984

104、,12:268-269.</p><p>　　[1414]譚敏強(qiáng),劉平.發(fā)光二極管在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2000:40.</p><p>　　[1515]栗蘋(píng),張明軒.LED、LD光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用嘗試[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué),2009:103.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>

105、;　　光陰荏苒，歲月如梭。大學(xué)的四年時(shí)光馬上就要面臨完結(jié)了。在本篇論文完成之際，我衷心地向所有照顧我，支持我的人致以最真誠(chéng)的感謝與問(wèn)候，是你們一直以來(lái)的幫助與鼓勵(lì)，讓我得以順利按時(shí)提交論文。</p><p>　　首先我要感謝我的指導(dǎo)老師唐海波老師首先我要感謝我的指導(dǎo)老師XXX老師，在選題、定題、收集資料的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，老師都給我提供了很大的幫助，也讓我節(jié)省了不少時(shí)間。對(duì)于我在論文中碰到的疑問(wèn)，唐老師總能耐心的給予

106、耐心的指導(dǎo)X老師總能耐心的給予耐心的指導(dǎo)，在百忙之中還能盡心盡力地幫我修改論文，要是沒(méi)有老師的幫助我一定不能完成我余下的任務(wù)。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和勤懇的工作態(tài)度也給我上了很好的一課，讓我認(rèn)識(shí)到了對(duì)待學(xué)習(xí)和工作認(rèn)真的重要性和必要性。</p><p>　　當(dāng)然也要感謝學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)和任課老師，四年來(lái)對(duì)我們成長(zhǎng)的無(wú)限關(guān)懷和鼓勵(lì)，為我們創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和生活環(huán)境，不僅傳授我們學(xué)術(shù)上的知識(shí)，而且也教會(huì)我們做人。<